kỹ thuật MIMO OFDM trong hệ thống thông tin vô tuyến

KỸ THUẬT MIMO-OFDM TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN 1 LỜI NÓI ðẦU Ngày nay, nhu cầu truyền thông vô tuyến càng ngày càng tăng. Một xu hướng ñang diễn ra trong ngành truyền thông vô tuyến là sự nổi lên của kỹ thuật MIMO-OFDM ở các lớp vật lý của các chuẩn truyền thông mới. Trên thực tế, sự hiện diện của MIMO- OFDM là kết quả trực tiếp của nhu cầu tốc ñộ số liệu cao hơn của khách hàng mà không cần sử dụng thêm ñộ rộng băng tần kênh. OFDM là một công nghệ ñã chín muồi và ñược sử dụng nhiều trong truyền dẫn số liệu vô tuyến và hữu tuyến như WLAN, WiMAX, ADSL, truyền hình số và Radio số. Ưu ñiểm nổi bật của OFDM là tăng hiệu suất sử dụng phổ và chống nhiễu gây ra do hiện tượng Fading ña ñường. Trong khi ñó, MIMO là một kỹ thuật sử dụng nhiều anten phát và anten thu ñể truyền dữ liệu. MIMO tận dụng sự phân tập (không gian, thời gian, mã hóa…) nhằm nâng cao chất lượng tín hiệu và tốc ñộ dữ liệu. Sự kết hợp những ưu ñiểm của kỹ thuật OFDM và hệ thống MIMO ñể tạo thành hệ thống OFDM–MIMO ñã ñược nghiên cứu, ứng dụng và ñạt ñược những kết quả rất khả quan. Có khả năng MIMO-OFDM sẽ tiếp tục là trụ cột cơ bản của các công nghệ truyên thông băng rộng trong tương lai. Do ñó với hi vọng có những hiểu biết tốt hơn vể những nguyên tắc cơ bản của kỹ thuật MIMO-OFDM, em ñã chọn ñề tài nghiên cứu:”Kỹ thuật MIMO- OFDM trong hệ thống thông tin vô tuyến” ñể làm luận văn tốt nghiệp. Trong quá trình làm luận văn em ñược sự giúp ñỡ tận tình của cô PGS.TS Nguyễn Việt Hương, người ñã trực tiếp hướng dẫn em làm luận văn này và các thầy cô trong khoa ðiện Tử - Viễn Thông ñã giúp ñỡ em hoàn thành luận văn này. Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội,ngày 20 tháng 10 năm 2011 KỸ THUẬT MIMO-OFDM TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN 2 TÓM TẮT LUẬN VĂN There are 4 chapter in my thesis: Chapter1: In this chapter I will present about basic theory,including models,calculation of transmission channel and multiplexing techniques in Wireless communication system Chapter 2: In chapter 2,I focus on the basic principles of OFDM technology,analysis calculation to see the advandtage of OFDM techique in high speed transmission ,like ,efficiency bandwidth using,anti- fadin and ISI interference Chapter 3: Introducing about MIMO system,analysing and calculating capacity of system,analysing theory of STC coding to improve quality and capacity of system Chapter 4: Using the basic theory which is presended in chap 1&2 to analyse MIMO- OFDM system I will present about models and establish the mathematic formula of MIMO-OFDM system Luận văn gồm 4 chương: Chương 1: Trình bày phần lý thuyết cơ sở bao gồm các mô hình, tính toán kênh truyền và các kỹ thuật ghép kênh trong hệ thống thông tin vô tuyến. Chương 2: Trình bày các nguyên lý cơ bản của kỹ thuât OFDM, phân tích tính toán ñể thấy ñược những ưu ñiểm của kỹ thuật OFDM trong truyền tốc ñộ dữ liệu cao như sử dụng băng thông hiệu quả, chống ñược fading chọn lọc tần số, chống nhiễu ISI,… Chương 3: Giới thiệu về hệ thống MIMO, phân tích tính toán dung lượng của hệ thống MIMO, phân tích lý thuyết về mã hoá không gian thời gian STC nhằm nâng cao chất lượng và dung lượng của hệ thống. Chương 4: Sử dụng các cơ sở lý thuyết ñược phân tích trong chương 2 và chương 3 ñể phân tích hệ thống MIMO-OFDM, trình bày các mô hình và thiết lập các công thức toán học của hệ thống MIMO-OFDM KỸ THUẬT MIMO-OFDM TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN 3 MỤC LỤC LỜI NÓI ðẦU 1 TÓM TẮT LUẬN VĂN 2 DANH SÁCH HÌNH VẼ 5 DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT 7 CHƯƠNG 1:CƠ SỞ LÝ THUYẾT 10 1.1 Các vấn ñề cơ bản của truyền sóng vô tuyến 11 1.1.1 Suy hao ñường truyền 11 1.1.2 Hiện tượng Multipath-fading 12 1.1.3 Hiệu ứng Doppler 14 1.1.4 Kênh truyền fading chọn lọc tần số và kênh truyền fading phẳng 15 1.1.5 Kênh truyền biến ñổi nhanh và kênh truyền biến ñổi chậm 19 1.1.6 Kênh truyền Rayleigh và kênh truyền Ricean [1] 21 1.2 Các phương thức ghép kênh 24 1.2.1 Ghép kênh theo tần số FDM 25 1.2.2 Ghép kênh theo thời gian TDM 25 1.2.3 Ghép kênh theo mã CDM 25 1.2.4 Ghép kênh theo tần số trực giao OFDM 26 1.3 Các kỹ thuật phân tập 26 1.3.1 Phân tập không gian 27 1.3.2 Phân tập tần số 28 1.3.3 Phân tập thời gian 29 1.4 Các mô hình hệ thống thông tin vô tuyến 30 1.4.1 Hệ thống SISO 30 1.4.2 Hệ thống SIMO 31 1.4.3 Hệ thống MISO 31 1.4.4 Hệ thống MIMO 31 1.4.5 Kết luận ………………… ……………………………………………… 32 CHƯƠNG 2 : KỸ THUẬT OFDM 33 2.1 Giới thiệu 33 KỸ THUẬT MIMO-OFDM TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN 4 2.2.1 Sự phát triển của OFDM 33 2.1.2 Lịch sử OFDM [4] 35 2.2 Nguyên lý kỹ thuật OFDM 36 2.1.1 Sóng mang trực giao 36 2.1.2 Mô hình hệ thống OFDM 37 2.3 Ưu ñiểm và nhược ñiểm của OFDM 48 CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG MIMO 50 3.1 Giới thiệu 50 3.1.1 Khái niệm hệ thống MIMO 50 3.1.2 Lịch sử hệ thống MIMO 50 3.2 Mã hóa không gian-thời gian STC 51 3.2.1 Mô hình hệ thống MIMO 52 3.2.2 Dung lượng hệ thống MIMO [10] 52 3.2.3 Mã hóa không gian thời-gian khối STBC 58 3.2.4 Mã hóa không gian-thời gian lới STTC [18] 67 3.2.5 Mã hóa không gian-thời gian lớp BLAST [11] 69 CHƯƠNG 4: HỆ THỐNG MIMO-OFDM 84 4.1 Giới thiệu 84 4.2 Hệ thống MIMO-OFDM 85 4.2.1 Mô hình hệ thống MIMO-OFDM 85 4.2.2 Mô hình hệ thống MIMO-OFDM Alamouti 88 4.2.3 Mô hình hệ thống MIMO-OFDM V-BLAST 92 4.2.4 Tỷ số công suất ñỉnh trên công suất trung bình PARR 95 KẾT LUẬN 97 TÀI LIỆU THAM KHẢO…………………………………………………………… 97 KỸ THUẬT MIMO-OFDM TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN 5 DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1.1 Các hiện tượng xảy ra trong quá trình truyền sóng 12 Hình 1.2 Kênh truyền chọn lọc tần số và biến ñổi theo thời gian 14 Hình 1.3 ðáp ứng tần số của kênh truyền 15 Hình 1.4 Tín hiệu tới phía thu theo L ñường 16 Hình 1.5 Kênh truyền thay ñổi theo thời gian 20 Hình 1.6 Hàm mật ñộ xác suất Rayleigh và Ricean 23 Hình 1.7 Các phương thức ghép kênh 24 Hình 1.8 Các phương thức ghép kênh trong hệ thống thông tin di ñộng 26 Hình 1.9 Các phương pháp phân tập 28 Hình 1.10 Phân tập theo thời gian 29 Hình 1.11 Phân loại hệ thống thông tin vô tuyến 30 Hình 2.1 FDM truyền thống 33 Hình 2.2 Hệ thống thông tin ña sóng mang 34 Hình 2.3 Băng thông ñược sử dụng hiệu quả trong OFDM 34 Hình 2.4 Ba tín hiệu sin trực giao 36 Hình 2.5 Sơ ñồ khối hệ thống OFDM 37 Hình 2.6 Bộ S/P và P/S 38 Hình2.7 Bộ Mapper và Demapper 39 Hình 2.8 Bộ IFFT và FFT 39 Hình 2.9 Bộ Guard Interval Insertion và Guard Interval Removal 41 Hình 2.10 ðáp ứng xung của kênh truyền frequency selective fading 42 Hình 2.11 Tín hiệu ñược chèn khoảng bảo vệ 43 Hình 2.12 Bộ A/D và D/A 46 Hình 2.13 Bộ Up-Converter và Down-Converter 46 Hình 2.14 Bộ Equalizer miền tần số 48 Hình 3.1 Hình trực quan của một hệ thống MIMO 50 Hình 3.2 N Kênh truyền nhiễu Gauss trắng song song 53 Hình 3.3 Hệ kênh truyền nhiễu Gauss trắng song song tương ñương. 55 KỸ THUẬT MIMO-OFDM TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN 6 Hình 3.4 Sơ ñồ hệ thống MIMO khi biết CSI tại nơi phát và thu 55 Hình 3.5 ðịnh lý Waterfilling 56 Hình 3.6 Phân phối công suất khi SNR cao 57 Hình 3.7 Phân phối công suất khi SNR thấp 57 Hình 3.8 Sơ ñồ Alamouti 2 anten phát và 1 anten thu 59 Hình 3.9 Các symbol phát và thu trong sơ ñồ Alamouti 60 Hình 3.10 Sơ ñồ Alamouti 2 anten phát và M anten thu 63 Hình 3.11 Sơ ñồ mã lưới 68 Hình 3.12 Bộ mã lưới k = 1, K = 3 và n = 2 68 Hình 3.13 Lưới mã và sơ ñồ trạng thái với k = 1, K = 3 và n = 69 Hình 3.14 Hệ thống V-BLAST 71 Hình 3.15 Máy thu V-BLAST Zero-forcing 76 Hình 3.16 Máy thu V-BLAST Zero-forcing theo thứ tự tối ưu 77 Hình 3.17 Máy thu V-BLAST MMSE 82 Hình 4.1 Các chuẩn thông tin vô tuyến của IEEE 85 Hình 4.2 Mô hình hệ thống MIMO-OFDM 86 Hình 4.3 Ma trận kênh truyền 87 Hình 4.4 Máy phát MIMO–OFDM Alamouti 88 Hình 4.6 Máy phát MIMO-OFDM VBLAST 92 Hình 4.7 Máy thu MIMO-OFDM VBLAST 94 Hình 4.8 ZF/MMSE Decoder 95 KỸ THUẬT MIMO-OFDM TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN 7 DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT Viết tắt Từ ñầy ñủ Nghĩa tiếng việt A/D Analog To Digital Tương tự/Số AFC Auto-Correlation Function Hàm tự tương quan ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line ðường dây thuê bao bất ñối xứng ALEX Average Excess Delay Trễ giới hạn trung bình AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu trắng BER Bit Error Rate Tỉ lệ lỗi bít BLAST Bell Laboratories Layered Space Time Code BPF Band Pass Filter Bộ lọc thông dải BPSK Binary Phase Shift Keying ðiều chế pha nhị phân BS Base Station Trạm gốc CDM Code Division Multiplexing Ghép kênh theo mã CSI Chanel Station Information Thông tin trạng thái kênh truyền D/A Digital/Analog Số/Tương tự DAB Digital Analog Broadcasting Phát thanh số D-BLAST Diagonal-Bell-Laboratories Layered Space Time DFT Discrete Fourier Transform Biến ñổi Furie rời rạc KỸ THUẬT MIMO-OFDM TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN 8 DPSK Differential Phase Shift Keying ðiều chế di pha vi phân DVB-H Digital Video Broadcasting –Handheld Quảng bá truyến hình số cầm tay DVB-T DVB-Terrestrial Quảng bá truyền hình số mặt ñất FDM Frequency Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo tần số FEC Forward Error Correction Sửa lỗi trước FFT Fast Furrier Transform Biến ñổi Furie nhanh FIR Finite Impluse Response Hệ ñáp ứng xung hữu hạn HDSL Hight-bit-rate Digital Subcriber Line DSL tốc ñộ cao HyperLAN2 High Performance Radio Local Arial Network Type 2 Mạng cục bộ chất lượng cao IDFT Inverse Discrete Fourier Transform Biến ñổi Furie ngược IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers Viện kỹ sư và ñiện tử IFFT Inverse Fast Fourier Transform Phép biến ñổi Furier nhanh IID Independent and Iditically Distributed Ngẫu nhiên ñộc lập và cùng phân phối ISI Inter Symbol Interference Nhiễu liên ký tự LAN Local Arial Network Mạng cục bộ KỸ THUẬT MIMO-OFDM TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN 9 LOS Light Of Sight Tầm nhìn thẳng LPF Low Pass Filter Bộ lọc thông thấp MIMO Multil Input-Multil Output Nhiều ñầu vào-Nhiều ñầu ra MISO Multil Input-Single Output Nhiều ñầu vào-một ñầu ra ML Maximum Likelihood Hợp lý cực ñại MMSE Minimum Mean Square Error Tối thiểu hóa lỗi trung bình bình phương MMSE-IC MMSE-Interference Cancellation NLOS Non-LOS Không trong tầm nhìn thẳng OFDM Orthogonal Frequency Division Multilplexing Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao P/S Parallel to Serial Song song/nối tiếp PAPR Peak To Average Power Ratio Tỉ số công suất ñỉnh trên công suất trung bình PDF Probability Density Function Hàm mật ñộ xác suất QAM Quadrature Amplitude Modulation ðiều chế biên ñộ trực giao QPSK Quadrature Phase Shift Keying ðiều chế pha trực giao RF Radio Frequency Tần số Radio SIMO Single Input-Multil Output Một ñầu vào-nhiều ñầu ra SISO Single Input-Single Output Một ñầu vào-một ñầu ra S/P Serial/Parallel Nối tiếp/song song KỸ THUẬT MIMO-OFDM TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN 10 SINR Signal to Interference Plus Noise Ratio Tỷ số nhiễu cộng STBC Space Time Block Code Mã hóa khối không gian thời gian STMLD Space-Time Maximum Likelihood Decoder TGn Task Group N V-BLAST Vertical-BLAST WSSUS Wide Sense Stationary Uncorrelated Scatter Dừng theo nghĩa rộng và không tương quan ZF Zero-Forcing Lọc ép không ZF-OIC ZF-Ordered Interference Cancellation [...]... (Wi-FI) 2000: OFDM đư c dùng trong truy c p vơ tuy n c đ nh (V -OFDM, Flash -OFDM) 2002: OFDM đư c dùng trong chu n IEEE 802.11g cho WLAN 2004: OFDM đư c dùng trong chu n IEEE 802.16-2004 cho WLAN ( WIMAX) 35 K THU T MIMO- OFDM TRONG H TH NG THƠNG TIN VƠ TUY N 2004: OFDM đư c dùng đư c dùng trong chu n ETSI DVB-H 2004: OFDM đư c đ c cho chu n IEEE 802.15.3a cho m ng WPAn (MB -OFDM) 2004: OFDM đư c đ c... MIMO các mơ hình này đ u có ưu đi m v hi u su t và tri t can nhi u ð c bi t h th ng MIMO đang đư c nghiên c u và ng d ng sâu r ng trong thơng tin vơ tuy n 32 K THU T MIMO- OFDM TRONG H TH NG THƠNG TIN VƠ TUY N CHƯƠNG 2 K THU T OFDM 2.1 Gi i Thi u Trong th p niên v a qua k thu t Othorgonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) đã đư c phát tri n thành h th ng thơng tin thơng d ng, ng d ng r ng rãi trong. .. d ng FFT và kho ng b o v trong OFDM 1985: Cimini mơ t ng d ng c a OFDM trong thơng tin di đ ng 1987: Alard & Lasalle áp d ng OFDM cho phát thanh s 1980-1990 OFDM đư c ng d ng trong truy n d n băng thơng r ng ADSL/ HDSL/ VDSL 1995: chu n ETSI DAB, chu n đ u tiên d a trên OFDM 1997: chu n ETSI DAB-T 1998: D án Magic WAND trình di n modem OFDM cho m ng WLAN 1999: OFDM đư c dùng trong chu n IEEE 802.11... hồn tồn khơng c n d i b o v , nên ti t ki m băng thơng đáng k so v i FDM truy n th ng Hình 2.3 cho th y ưu th c a OFDM trong vi c s d ng hi u qu băng thơng Hình 2.3 Băng thơng đư c s d ng hi u qu trong OFDM 34 K THU T MIMO- OFDM TRONG H TH NG THƠNG TIN VƠ TUY N 2.1.2 L ch s OFDM[ 4] M c dù OFDM đư c phát minh t nh ng năm 1950, nhưng h th ng khơng th th c hi n vào th i đi m đó, do vi c đi u ch d li u các... ng c a các k thu t ghép kênh trong h th ng thơng tin di đ ng, trong đó OFDM đang đư c nghiên c u đ đ ng th tư 1.3 Các k thu t phân t p 26 ng d ng vào h th ng thơng tin di K THU T MIMO- OFDM TRONG H TH NG THƠNG TIN VƠ TUY N Trong truy n thơng khơng dây di d ng, k thu t phân t p đư c s d ng r ng rãi đ làm gi m nh hư ng c a fading đa đư ng và c i ti n đ tin c y c a kênh truy n mà khơng u c u tăng cơng... n d n trong khơng gian t do : L pt (dB) = PT (dB) − PR (dB) 11 (1.2) K THU T MIMO- OFDM TRONG H TH NG THƠNG TIN VƠ TUY N (1.3) Nói chung chúng ta có th xây d ng đư c m t mơ hình khá chính xác cho các tuy n thơng tin v tinh và các tuy n liên l c tr c ti p (khơng v t c n ) như các tuy n liên l c vi ba đi m n i đi m trong ph m vi ng n Tuy nhiên do h u h t các tuy n thơng tin trên m t đ t như thơng tin di... ng h th ng MIMO đang đư c nghiên c u đ ng d ng vào các h th ng thơng tin tương lai Tuy nhiên h th ng MIMO khơng có kh năng ch ng l i fading ch n l c t n s , vì v y k thu t k t h p gi a MIMO và OFDM cũng đang đư c nghiên c u trong các chu n khơng dây như chu n IEEE 802.11n (WLAN), IEEE 802.16e (WIMAX) H th ng MIMO s đư c xem xét k hơn trong chương ti p 1.4.5 K t lu n Mơ hình h th ng thơng tin vơ tuy... thu t OFDM đã có th d dàng th c hi n v i chi phí r và đư c ng d ng r ng rãi nh vào s phát tri n c a phép bi n đ i Fourier nhanh FFT và IFFT Cũng gi ng như k thu t CDM, k thu t OFDM đư c ng d ng đ u tiên trong lĩnh v c qn s ð n nh ng năm 1980, k thu t OFDM đư c nghiên c u nh m ng d ng trong modem t c đ cao và trong try n thơng di đ ng ð n nh ng năm 1990 OFDM đư c ng d ng trong truy n d n thơng tin băng... khơng tương quan v i nhau Trong phân t p khơng gian, các phiên b n c a tín hi u phát đư c truy n đ n nơi thu t o nên s dư th a trong mi n khơng gian Khơng gi ng như phân t p th i gian và t n s , phân t p khơng gian khơng làm gi m hi u su t băng thơng ð c tính này r t quan tr ng trong truy n thơng khơng dây t c đ cao trong tương lai 27 K THU T MIMO- OFDM TRONG H TH NG THƠNG TIN VƠ TUY N Hình 1.9 Các... này thư ng 29 K THU T MIMO- OFDM TRONG H TH NG THƠNG TIN VƠ TUY N hi u qu trong mơi trư ng fading nhanh, đó th i gian nh t qn c a kênh truy n nh ð i v i kênh truy n fading ch m n u xen kênh q nhi u thì có th d n đ n trì hỗn đáng k 1.4 Các mơ hình h th ng thơng tin vơ tuy n Các mơ hình h th ng thơng tin vơ tuy n có th đư c phân lo i thành b n h th ng cơ b n là SISO, SIMO, MISO, và MIMO như hình 1.11 N . KỸ THUẬT MIMO-OFDM TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN 1 LỜI NÓI ðẦU Ngày nay, nhu cầu truyền thông vô tuyến càng ngày càng tăng. Một xu hướng ñang diễn ra trong ngành truyền thông. tích trong chương 2 và chương 3 ñể phân tích hệ thống MIMO-OFDM, trình bày các mô hình và thiết lập các công thức toán học của hệ thống MIMO-OFDM KỸ THUẬT MIMO-OFDM TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN. CHƯƠNG 4: HỆ THỐNG MIMO-OFDM 84 4.1 Giới thiệu 84 4.2 Hệ thống MIMO-OFDM 85 4.2.1 Mô hình hệ thống MIMO-OFDM 85 4.2.2 Mô hình hệ thống MIMO-OFDM Alamouti 88 4.2.3 Mô hình hệ thống MIMO-OFDM